豫西山地不同类型人工植被恢复模式对土壤碳、氮的影响

刘沛松,寇利轩,胡 军,程立平,佟伟霜,刘志鹏,王鑫隆

(1.平顶山学院 化学与环境工程学院,河南 平顶山 467000;2.河南省生态经济型木本植物种质创新与利用重点实验室,河南 平顶山 467000)

碳、氮是构成有机体的基础元素,也是作为衡量土壤肥力水平和评价植被恢复效果的重要指标[1],其分布和循环与生态系统的稳定和发展密不可分[2]。土壤是陆地生态系统最大的碳库,储量约是大气碳库的2倍,植被碳库的3倍[3-4]。在全球气候变化的背景下,其较小的变化幅度就可能影响全球气候波动及陆地植被养分的供应,因此土壤碳库空间分布特征及碳循环已成为国内外学者研究的热点之一。N是植物生长过程中不可或缺的营养元素,是植物体内氨基酸、蛋白质以及光合作物的重要组成部分,而土壤氮是植物获得氮素的直接来源,因此土壤中氮素分布和土壤固氮能力直接影响着植物的生长发育[5]。此外,土壤碳库与氮库之间联系紧密,土壤碳氮比(C/N)是土壤质量的一项敏感指标,其比率的变化,可影响土壤有机质分解和矿化速率[6]。因此,研究土壤C、N分布可有利于了解生态系统过程。

豫西低山丘陵区属于易受破坏的生态脆弱地区,土壤瘠薄、砾石含量多,水土流失严重,限制了林业生态建设。在人类活动及气候变化日益影响下,豫西低山丘陵区生态环境发生了进一步的严重退化。在退化的土地上,采用合理的植被重建和土地利用方式,有利于提高土壤肥力,例如增加土壤有机碳和全氮储量[7],因此研究合理的植被恢复模式对于豫西低山丘陵生态环境的恢复具有重要的意义。人工植被恢复模式已经广泛应用于脆弱生态环境区建设[8-9],其中,林草复合系统通过乔木和草本植物(豆科牧草)的有机结合,能够改善土壤理化性质,可使土壤中根系的数量增加提高土壤C、N含量,或者改善微气候环境等来可提高系统生产力[10-11],是恢复和重建退化生态系统的重要技术模式。复合植被恢复模式促进土壤质量的提高,并且显著优于纯林地[12],土壤质量的提高反过来又有利于植被的重建。然而,目前大多林草复合植被模式的研究主要集中于农业、果园复合及牧场生态系统[11-13],而在低山丘陵地区进行植被恢复与土壤环境效应的长期定位监测研究还鲜有报道。

因此,本研究在豫西低山丘陵地区常见的自然荒草坡地上,采用4种当地典型人工造林树种速生杨(Populussp.)、侧柏(Platycladusorientalis)、栓皮栎(Quercusvariabilis)和刺槐(Robiniapseudoacacia) 和多年生豆科牧草紫花苜蓿(Medicagosativa)为材料,配置种植了9种不同植被类型。经过9 a的生态恢复,探讨其土壤表层C、N特征及主要影响因素。研究结果可为该地区的生态恢复及重建提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为豫西山地,海拔200～1 000 m,地理坐标为112°14′-113°14′E,33°34′-34°00′N,属于典型的暖温带和北亚热带气候过渡带,山体由沉积岩和石灰岩构成,植被生长环境脆弱。土壤类型以褐土、潮土、黄棕壤土为主。该区气候温和,光照充足,雨量适中,季节分明,无霜期为210 d。全年日照时数2 081 h,年均气温13～14 ℃,近30 a年均降水量 810 mm,60%以上的降雨量集中在7-9月。海拔600 m以下的低山丘陵区,坡度大多在22°,生态环境退化,植被多样性减少,水土流失严重。目前常见植被为人工林和次生林,主要植被类型为栓皮栎 (Q.variabilis)、锐齿栎 (Q.aliena)、山合欢 (Albizziakalkora)、胡枝子 (Lespedezabicolor)、羊胡子草(Carexrigescens)、香附子 (Cyperusrotundus),常见的人工林树种为速生杨 (Populussp.)、刺槐 (R.pseudoacacia)、侧柏 (P.orientalis)、栎树 (Q.variabilis)等[14]。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计 试验区始建于2011 年3月,位于河南省平顶山市鲁山县董周乡和庄村五里岭 (112°47′54″E,33°44′47″N),是中国林科院、河南省林业厅、平顶山学院三方共建的“低山丘陵区生态修复试验与示范基地”。试验区在多年未利用的自然荒草地上建造而成,面积10 000 m2,试验前的土质、地貌、地上植被等环境背景均一致,坡向西南,坡度22°,沿等高线水平设计了10个试验小区,每小区坡长20 m×坡宽15 m,小区间均预留3 m宽隔离带。小区包括:1个紫花苜蓿草地区(M);4个林草复合小区—速生杨×紫花苜蓿(YM)、侧柏×紫花苜蓿(BM)、栓皮栎×紫花苜蓿(LM)、刺槐×紫花苜蓿(HM);4个纯林小区——速生杨(Y)、侧柏(B)、栓皮栎(L)、刺槐(H),1个自然荒草地小区,作为对照区(CK)。3月12日植树节在每个小区按照以上小区名称种植对应类型的植被,树种均采用5年生,林分密度1.5 m×2.0 m,沿坡长方向共种植10行,行间距2.0 m,各树坑位置呈品字形排列,以防止水土流失。为错过6-9月雨季大雨冲刷坡面正在生长的苜蓿,于当年10月上旬在林下播种紫花苜蓿,沿等高线方向人工挖沟横向条播,行间距10 cm,播深3～4 cm,亩播种量1.5 kg。自然荒草地对照区(CK)保留试验前状态自然生长,不种树不种草。在每个试验小区内,沿坡宽方向再均分为3个重复亚区,每个重复亚区面积均为100 m2(坡长20 m×坡宽5 m);再将各重复亚区沿坡长方向平均划分为4个坡段:上坡、坡中上、坡中下、下坡,每个坡位面积均为25 m2(5 m×5 m)(图1),每个坡位亚区作为本研究中土壤和凋落物样本的采集点和土壤水分监测点。

图1 不同植被恢复模式试验区设计示意图

试验前土壤养分背景值见表1。

表1 试验前自然荒草地土壤养分指标背景值

1.2.2 样品采集 2019年10月下旬对各个试验区每个亚区的每个坡位采集0～20 cm土层的土样,共120个,带回实验室,剔除动植物残体、石块等杂质,自然阴干,过100目(0.149 mm)筛,备用。用100 cm3环刀采集各亚区0～20 cm土层原状土,测定土壤容重。

1.2.3 测定指标 采用德国进口的CHNOS Elemental Analyzer元素分析仪(型号Vario Macro Cube)测定土壤TC、TN含量;环刀法测定土壤容重;烘干法测定0～20 cm土壤含水率(105 ℃,10 h);用酸度计测定土壤pH(2.5∶1水土比);用直角地温计测定各坡位0～20 cm土壤温度。

1.3 数据分析

在Microsoft Excel 2016中进行数据整理和作图。采用SPSS 25.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD),Pearson相关分析法进行影响因子分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型对土壤TC、TN与C/N的影响

2.1.1 土壤TC 不同类型植被对土壤TC含量有显著影响。由表2可知,不同植被土壤TC含量依次为HM>BM>H>LM>L>Y>M>B>YM>CK,可见,9种类型植被模式的0～20 cm土壤全碳含量均高于对照荒草地(CK)。HM、BM、H、LM、L植被模式均能显著提高荒草地(CK)土壤TC含量。其中,HM、BM、LM林草复合模式土壤C、N恢复效果最好,相对于对照荒草地,土壤TC含量分别增加了88.77%、82.95%、58.94%,相对于H、B、L纯林模式,土壤TC含量分别增加了11.55%、60.88%、5.96%,而Y、M、B、YM 4种模式与对照荒草地无显著差异。

表2 不同植被类型土层(0～20 cm)TC、TN与C/N值

2.1.2 土壤TN 在不同类型植被模式中,土壤TN含量顺序为HM>BM>H>LM>L>Y>M>YM>B>CK,TN含量大小顺序与TC含量基本保持一致。HM、BM、H、LM、L 5种类型植被模式均与CK之间土壤TN含量存在显著性差异,显著提高土壤TN含量。HM、BM、LM较对照TN增加了78.30%、66.04%、50.94%,较纯林模式(H、B、L)增加了10.52%、45.45%、2.56%。而Y、M、B、YM 4种模式与对照荒草地也无显著差异。

2.1.3 土壤C/N 不同植被类型的土壤C/N值也存在差异。其顺序依次为BM>HM>LM>H>L>M>CK>YM>B>Y,平均值在8.57～9.9,总体上C/N之间差异不大,仅有BM与除HM、LM之外的其他模式之间存在显著性差异(P<0.05),HM、LM模式与YM、B、Y模式之间的C/N差异性显著(P<0.05)。

2.2 不同坡位土壤TC、TN分布与C/N特征

2.2.1 不同坡位土壤TC分布特征 种植紫花苜蓿可以降低不同植被类型坡面不同坡位之间土壤TC的差异性。由图2可知,有紫花苜蓿参与下,林草复合植被(BM、LM、HM)和紫花苜蓿草地(M)的不同坡位之间的土壤TC含量无显著性差异。而在没有紫花苜蓿参与的纯林(Y、B和L)和对照荒草地CK上,其坡面不同坡位土壤TC含量之间均表现出显著性差异,基本上表现为下坡和坡中下大于坡中上和上坡的特征。L模式的不同坡位之间无差异。

不同小写字母表示在同一类型植被土壤不同坡位差异显著(P<0.05)。下图同。

2.2.2 不同坡位土壤TN分布特征 样地M和林草复合植被模式(YM、BM、HM、LM)的不同坡位TN含量均无显著差异(图3)。Y、B、L植被的下坡位均高于上坡位的土壤TN含量,H坡位间无显著性差异。CK坡中下的土壤TC含量最高。

图3 不同植被类型各坡位土壤TN分布特征

图4 不同植被类型各坡位土壤C/N分布特征

2.2.3 不同坡位土壤C/N特征 紫花苜蓿草样地M不同坡位之间土壤C/N无显著性差异。林草复合模式LM和HM植被类型的各个坡位之间土壤C/N无显著差异。YM和BM的上坡C/N显著小于坡中下,而其他坡位之间无显著性差异。在无紫花苜蓿的植被类型中,仅H的各个坡位之间无显著性差异。B、L、CK植被坡面的土壤C/N均表现为下坡和坡中下小于坡中上和上坡,其中,坡中下最高,上坡最低,且二者之间差异性显著;Y的坡中上最低,与上坡之间差异性显著,沿坡面方向无变化规律。

2.3 土壤TC、TN关系及其影响因子分析

由表3可知,通过将所有植被类型的土壤TC、TN与环境因子(土壤含水率、土壤pH、土壤容重)进行Pearson相关性分析,结果显示,土壤TC(X)、TN含量(Y)之间呈极显著正相关(P<0.01)。土壤TC、TN与土壤pH的关系呈显著负相关(P<0.05),而与土壤水分、土壤容重、土壤温度之间无显著相关性。另外,土壤TC、TN含量与凋落物C含量无显著相关性,而与凋落物N含量呈显著正相关,与凋落物C/N呈显著的负相关。

表3 全碳、全氮与环境因子之间相关性分析

3 结论与讨论

3.1 结论

豫西低山丘陵地区不同类型植被恢复模式对0～20 cm层土壤TC、TN的恢复效应具有显著性的差异,侧柏×紫花苜蓿(BM)、栓皮栎×紫花苜蓿(LM)、刺槐×紫花苜蓿(HM)、栓皮栎(L)、刺槐(H)植被模式比自然荒地可显著提高土壤TC、TN含量,也高于对应的纯林模式,并且也减缓了养分在坡面分布的差异,说明林草复合系统具有明显的增碳固氮作用。土壤pH和凋落物养分含量是影响土壤TC、TN含量及在坡面分布的主要因素,土壤TC、TN含量均与土壤pH呈显著负相关,凋落物N与土壤C、N含量呈正相关,凋落物C/N与土壤C、N呈负相关关系。

3.2 讨论

3.2.1 不同类型植被对土壤C、N分布的影响 不同类型植被恢复模式影响土壤表层TC、TN含量分布和C/N大小,类似的结果也见于其他研究中[14-15]。本试验中,林草复合模式和纯林模式的土壤TC、TN含量均高于荒草地对照区,说明不同植被模式均能够增加土壤C、N含量,尤其HM、BM、LM、H、L这5种植被类型更能显著增加土壤C、N含量。林草复合模式中,HM、BM、LM比YM恢复效果更好,其原因可能是速生杨生长期间需要消耗大量土壤水分和养分[16],因此速生杨不宜作为林草复合模式中的首选树种。相对于纯林模式,林草复合模式的土壤TC、TN恢复效果较好,说明紫花苜蓿有增强土壤改善的作用;其中,LM、HM相对于H、L纯林模式,土壤C、N恢复量偏低,可能是林分郁闭度过大,影响了紫花苜蓿的生长[17],降低了生物固氮功能和坡面水土保持作用。因此可以考虑在人工造林初期林分郁闭度低的情况下引入多年生豆科牧草紫花苜蓿,能有效改善土壤环境,降低土壤养分流失。

林草复合模式(HM、LM、YM)与纯林模式(H、L、Y)土壤C/N值无显著差异,而BM中土壤C/N值显著大于纯林B,主要原因可能是柏树林为主的次生林土壤有机碳含量最丰富,生态系统中的C元素以枯枝、落叶等凋落物以及植物死根等形式大量回归土壤,苜蓿的存在有利于柏树凋落物保存,因此可能造成增加C的幅度要大于固氮的幅度。土壤C/N值与微生物活动有一定关系,Prescott等[18]认为,当土壤C/N<25/1时,土壤中的氮素会出现净矿化,是微生物分解的最佳值[18],而本研究中 C/N 均低于此值,说明试验区微生物活性可能比较强,其机制有待于进一步试验研究。

3.2.2 不同类型植被和坡位对土壤C、N的影响 本试验中的林草复合模式和纯紫花苜蓿草地的不同坡位间土壤C、N含量分布无明显差异,而纯林地和荒草地对照区的坡面不同坡位的土壤C、N含量差异性显著,说明植被类型和坡位都是影响土壤C、N分布的重要因素,类似研究在黄土高原也有报道[19]。本研究中纯林植被中土壤TC、TN含量有沿坡面从上向下迁移累积的趋势,主要原因可能是降雨冲刷产生径流,造成土壤C、N随重力向下迁移,引起下坡位的土壤C、N含量增加[20]。而林草复合植被模式下,坡位间的养分总体上无明显差异,说明紫花苜蓿(M)具有抑制坡面土壤表层的全碳由坡上向坡下迁移流失的作用,同时也就均衡了有紫花苜蓿参与的植被类型中不同坡段的C/N。值得注意的是,刺槐植物的不同坡段之间无差异,其原因可能是刺槐也属于豆科植物有关,其豆科类凋落物可以减缓土壤养分流失。

3.2.3 环境因子对土壤C、N的影响 本研究林草复合模式TC、TN与pH呈负相关,与孙佳等[21]的研究一致,其原因可能是豆科植物紫花苜蓿的引入导致了pH的变化,进而影响了土壤C、N循环过程中的土壤C、N微生物活性。杨恒山等[22-23]的研究表明随着种植紫花苜蓿年限的增加,pH降低,并且微生物的活性也增强。另外,低pH 又有利于提高土壤渗透性和孔隙度,促进团聚体形成,对土壤N积累和维持有积极作用[24]。因此土壤 pH的降低很大程度上影响着土壤微生物生物量和土壤酶活性[25],进而提高了土壤养分含量。

凋落物是养分在植物与土壤之间迁移转化的基本载体,其动态变化可以实现并维持土壤养分和植物生长所需养分比率之间的平衡[26]。本研究中,土壤C、N含量与凋落叶C/N呈显著负相关,与其他研究一致[27]。这可能是由于凋落物分解过程中,C/N是影响凋落物分解速率的重要因素之一,C/N越低,凋落物分解越快[28],促进了凋落物养分到土壤养分的释放。有研究报道,土壤C、N与凋落养分并不显著[29-30],而本研究中凋落物N与土壤C、N呈显著正相关,可能是恢复近10 a的长期效应,凋落物N含量的增加可以促进微生物活性增加[31],提高凋落物分解和养分释放的速率,是促进土壤碳氮积累以及维持其稳定性的主要机制。

大多数研究者认为,尽管林草间作模式可增加地表覆盖度,但也加剧了土壤水分的消耗[32]。例如,杨树间作紫花苜蓿较纯杨树林土壤含水量降低[33]。也有研究表明,林地、草地以及林草混交地的土壤含水量、变异系数差别均不大[34],说明林草复合中水分的变化差异较大。此外,林草复合系统夏季可以提高林内湿度,降低温度,减轻或阻止草本植物的日灼现象[10,35]。本研究中土壤温度和水分含量与土壤C、N都表现无显著的相关性,可能是因为一般情况下水分和温度变化并不明显[36],并且它们的变化相对于对于养分的变化的差异较小,因而产生较小的关联性,具体相关关系的作用机制有待进一步研究。